Estudio comparativo entre aceites vegetales y minerales para Transformadores (1ª Parte)

El aceite utilizado en transformadores, contribuye a preservar los aislamientos internos y a disipar el calor de los bobinados, conduciéndolo hacia el exterior, es decir, actúa como dieléctrico y como refrigerante.

En este post, se expone de forma no exhaustiva una transcripción del trabajo presentado en 2009 para el CIGRE, en el II Congreso venezolano de redes y energía eléctrica, de los ponentes: F. Labarca, N. Paz, J. Fonseca y A. Marulanda, con el nombre: “Estudio del aceite vegetal como sustituto del aceite mineral en Transformadores de distribución”, en el que se estudian y comparan diversas propiedades importantes de los aceites dieléctricos, tales como viscosidad dinámica y cinemática, gravedad específica, calor, punto de inflamación, aspecto visual, tensión interfacial,  acidez, tensión de ruptura dieléctrica, entre otros; todos ellos bajo las respectivas normas según cada tipo de aceite, sin embargo, en este trabajo se han resaltado las más relevantes. También se realizaron pruebas de cromatografía de gases, en donde es importante resaltar que aun cuando las composiciones de cada tipo de aceite son diferentes a causa de su materia prima, según la norma ASTM 6871 correspondiente a análisis de aceites vegetales, se pueden utilizar métodos de análisis cromatográficos que se usan para analizar los aceites minerales, siendo en este caso el aceite mineral el patrón de comparación.

Metodología utilizada

Durante esta fase de la investigación, la labor se desarrolla en dos partes, de acuerdo con la secuencia que a continuación se explica:

A. En el marco de la condición real de operación:

En esta parte, una prueba de envejecimiento acelerado se ha realizado a los transformadores de distribución y se le aplicaron diversas pruebas, entre estas: viscosidad, punto de inflamación, tensión de ruptura dieléctrica y análisis por cromatografía de gases.

Todos bajo las normas ASTM D92, ASTM D6871, COVENIN 3172, COVENIN 1403, IEEE C57.91 y IEEE C57.104, utilizando dos transformadores de distribución, uno sumergido en aceite mineral, y el otro en aceite vegetal, todo esto con el fin de analizar las propiedades químicas, físicas y eléctricas de los dos tipos de aceites dieléctricos.

B. Bajo condiciones simuladas:

Incluye la realización de pruebas para el calentamiento y degradación del papel aislante de acuerdo con la norma IEEE C57.91, con el fin de analizar la degradación de los aislamientos internos de un transformador cuando está sumergido tanto en aceite mineral, como en aceite vegetal.

RESULTADOS

A. PRUEBAS DE ENVEJECIMIENTO DE LOS TRANSFORMADORES

Para realizar esta prueba, se seleccionaron dos transformadores de distribución, uno inmerso en aceite mineral y el otro en aceite vegetal, ambos con las mismas características eléctricas. La tabla 1 muestra la potencia, el voltaje y la impedancia nominal de casa uno de los transformadores.

	DATOS
Aceite	kVA	Vp (kV)	Vs (kV)	% Z
Vegetal	10	13,8	240	2,7
Mineral	10	13,8	240	2,7

Tabla 1: Parámetros de los Transformadores

La tabla 2 muestra los valores obtenidos en las pruebas de cortocircuito (pérdidas en carga), de circuito abierto (pérdidas en vacío o en el hierro) y relación de transformación, para poder de esta manera garantizar que los transformadores tienen iguales características en las condiciones iniciales.

	Ensayo en circuito abierto		Ensayo en cortocircuito
Aceite	Iexc. (Amp.)	Pfe (W)	Vimp. (V)	Pcu (W)	RT
Vegetal	0,2	42	353	143	57,569
Mineral	0,2	40	352	143	57,565

Tabla 2: Pruebas de aceptación de los transformadores

Una vez verificadas las características de cada uno de los transformadores se sobrecargan en un 40% de su carga nominal, para poder aplicar el método de variación de la resistencia de bobinados con la temperatura, cuando la temperatura se estabiliza en ambos transformadores, se observa que la temperatura de las bobinas inmersas en aceite vegetal es de aproximadamente 179 ºC, mientras que el transformador con los bobinados inmersos en aceite mineral, la temperatura es de 191 ºC. Según IEEE Std C57.91, a dichas temperaturas de operación para un transformador inmerso en aceite vegetal, se consume el equivalente de un año de su vida útil en 20 horas, mientras que para el transformador inmerso en aceite mineral el equivalente a un año de vida útil se alcanzó en un periodo de 14 horas.

A continuación, se presentan cada uno de los datos obtenidos en las diversas pruebas, específicamente en las pruebas de viscosidad, punto de inflamación, rigidez dieléctrica, entre otras.

1.- PRUEBA DE VISCOSIDAD DINÁMICA

El valor de la viscosidad dinámica de un aceite dieléctrico representa la proporcionalidad entre el esfuerzo de corte aplicado y la relación de corte de un líquido, éste da idea de la mayor o menor facilidad con que este aceite fluye a través de espacios confinados entre las superficies sólidas.

La figura 1 muestra que existe un límite establecido para el aceite mineral (COVENIN 3627,2000), y otro límite para el aceite vegetal (ASTM D6871, 2003). Además, como se observa en la figura 1, la medida de viscosidad dinámica en ambos tipos de aceites, presenta un comportamiento relativamente constante. Ambos tipos de aceites están por debajo de sus límites máximos de viscosidad dinámica, haciendo hincapié en el hecho de que el aceite vegetal presenta una mayor diferencia entre el valor medido y el valor máximo estipulado por la norma. Razón por la cual el aceite vegetal es más eficaz a la hora de disipar calor cuando se desplaza por las partes internas del transformador.

Figura 1: Comportamiento de la Viscosidad Dinámica

en función del tiempo de vida útil

2.- PRUEBA DEL PUNTO DE INFLAMACIÓN

 El punto de inflamación es uno de los más importantes aspectos a considerar para la selección de un aceite dieléctrico, a continuación, se describen los resultados de esta prueba para cada uno de los tipos de aceite.

Figura 2: Comportamiento del Punto de Inflamación

en función del tiempo de vida útil

En la figura 2 se observa que cada tipo de aceite presenta un comportamiento diferente, el punto de inflamación para el aceite mineral se mantiene relativamente constante con el transcurso de los años de vida útil de los transformadores, y superior al valor máximo estipulado para este tipo de aceite (ASTM D92, 1989). Considerando que para el aceite vegetal en el comienzo de la vida útil del transformador, el punto de inflamación se redujo hasta el punto de estabilizarse en valores relativamente inferiores de su límite estipulado ((ASTM D6871, 2003), lo que lo hace más resistente al fuego.

3.- PRUEBA DE RIGIDEZ DIELÉCTRICA

La tensión de ruptura dieléctrica es una de las más importantes pruebas que se aplican a los aceites dieléctricos. En la figura 3, se observa que el voltaje medido para alcanzar la ruptura dieléctrica en cada ensayo cumple los requisitos mínimos establecidos por la norma para los aceites minerales (IEEE Std C57.91), y para los aceites vegetales ((ASTM D6871, 2003). No obstante, hay que destacar que la tensión de ruptura dieléctrica del aceite mineral tiene valores inferiores y superiores al límite mínimo establecido, mientras que para el caso del aceite vegetal, los niveles de tensión para alcanzar la ruptura dieléctrica aumento, demostrándose que con el transcurso de su vida útil, los niveles dieléctricos de este tipo de aceite aumentan.

Figura 3: Comportamiento de la Ruptura Dieléctrica

en función del tiempo de vida útil

Según los datos de la prueba de envejecimiento, 14 horas de sobrecarga representa un año de vida útil para un transformador inmerso en aceite mineral, en tanto que para un transformador con aceite vegetal es 42,86% superior a la de un transformador inmerso en aceite mineral.

Continua en: Estudio comparativo entre aceites vegetales y minerales para Transformadores (2ª Parte).
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